一种钻井液含砂量在线监测方法及装置

本发明涉及钻井液性能参数在线监测，具体涉及一种钻井液含砂量在线监测方法及装置。

背景技术：

1、在钻探领域，钻井液含砂量是钻井液的一项重要指标，其对钻井液性能影响巨大，性能优秀的钻井液可以悬排钻渣、稳固井壁、冷却钻头、润滑钻具等，若钻井液含沙量过高会降低钻井液性能导致如下危害：使钻井液密度过大，对钻速不利；使形成的泥饼松软，导致滤失量增大，不利于井壁稳定，并影响固井质量等等；因此实时监测钻井液含砂量是保障钻井过程安全进行的重要因素。

2、目前钻井液含砂量主要利用钻井液含砂量测定仪进行测量，钻井液含砂量测定仪是一种简单、可靠、有效和准确测量钻井液含砂量的仪器装置，它使用滤网分解的方法决定砂子的含量。但是随着油井数字化、智能化的发展，这种人为操作复杂并且测量周期长的方法已经不适用于钻井液含砂量实时监测。

3、此外，对于钻井液含砂量在线监测还有采用光学方法进行定量预测。其中有人发表了基于散射式红外浊度计的泥浆含砂量在线检测装置和方法，其将光学和自动化的方法融入到泥浆的含砂量检测过程中，实现对泥浆中含砂量在线测量；通过自动化方法控制装置运作，并通过光学方法(散射式红外浊度计)检测样液浊度，建立浊度与含砂量回归模型，实时预测含砂量。但是，在钻探过程中钻井液浊度不仅与砂含量有关还与聚合物浓度、颗粒大小以及分布等因素有关，因此通过单一的浊度参数是不能准确测量钻井液含砂量的。这些方法都做不到现场、快速、准确、实时监测钻井液含砂量。因此，解决这一类的问题显得尤为重要。

4、基于此，本发明设计了一种钻井液含砂量在线监测方法及装置以解决上述问题。

技术实现思路

1、针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了一种钻井液含砂量在线监测方法及装置。利用基于库尔特原理(小孔电阻原理)的电阻法对钻井液含砂量进行在线监测，将电阻法装置安装在钻井液流通管道上，并将待测钻井液部分流过装置，当有颗粒经过装置内极板时瞬间电压变化而形成脉冲信号，并通过脉冲信号的强弱反映砂粒体积的大小，脉冲信号的多少反映砂粒的数量，通过对脉冲信号的分析处理得到钻井液含砂量。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、一种钻井液含砂量在线监测方法，包括以下步骤：

4、步骤一：放置电阻法测量装置；

5、将电阻法测量装置安装在钻井液流动管道上，用来获取流体信号；

6、步骤二：获取流体信号；

7、通过电阻法测量装置获取反映钻井液含砂量的电压脉冲信号x(t)以及反映测量装置内钻井液流量的脉冲信号y(t)；

8、步骤三：对获取的电压脉冲信号x(t)进行处理；

9、检索异常脉冲信号并剔除，以消除脉冲信号的噪声和背景干扰；

10、步骤四：对处理后的数组进行脉冲峰值提取；

11、提取脉冲信号的上升沿个数以及每个波动周期的峰值；

12、步骤五：计算钻井液含砂量；

13、利用脉冲信号y(t)与提取的电压脉冲信号峰值计算钻井液含砂量；

14、步骤六：将实时钻井液含砂量传送给上位机。

15、进一步的，所述步骤三中，检索异常脉冲信号并剔除的方法，具体步骤为：

16、步骤31：进行标定实验，确定粒径为74um的砂粒产生的响应电压峰值(v0)；

17、步骤32：通过设置高采样频率，获取电压脉冲信号x(t)；根据采样频率，计算出每秒采集的数据的个数n0，将采集的信号按照n0个连续数据进行分组并将数据按组进行储存；

18、步骤33：通过检索异常脉冲信号并剔除的方式，对每组数据进行处理；最后，返回已剔除异常脉冲信号的数组。

19、进一步的，步骤31中，标定实验过程如下：

20、通过滤网选择一定体积的粒径为74um的砂粒；

21、将这些砂粒加入无颗粒的钻井液中，混合均匀；

22、将混合均匀的钻井液流过感应极板，采集电压脉冲信号，采用峰值提取算法获取电压脉冲峰值，将电压脉冲峰值按照从小到大的顺序排列，计算每种电压脉冲峰值的频率和累计频率；当累计频率到达50％时，将此时的峰值作为粒径为74um砂粒的响应电压，重复测量多次，取平均值为响应电压峰值(v0)。

23、进一步的，步骤33中，根据采样频率、装置极板长度以及装置内钻井液流速，精确计算出粒径为74um砂粒经过极板时，输出的电压脉冲响应有a个点的幅值大于或等于v0；将数据按组进行处理，按顺序比较每组数据中每个数据x(ti)与v0大小，如果连续[a-(a+2)]个采样点幅值大于v0，则说明为砂粒流过极板产生脉冲；否则为异常脉冲信号，并得到异常脉冲信号在数组中的下标，通过倒序方法剔除异常脉冲信号。

24、进一步的，检索异常脉冲信号过程如下：

25、首先，确定每组数据的个数n，建立数组arr1[]存放检索到的异常脉冲信号在数组中的下标值，设m作为检索过程中每个波动周期中连续幅值大于或等于v0的采样点数；

26、然后，取一组数据放入循环中，按顺序比对每一个数据；如果x(ti)＜v0且m＝0，则i+1，进行下一个数据比对；如果x(ti)≥v0，则m+1且i+1，进行下一个数据比对；如果x(ti)＜v0且m≠0，则一个脉冲周期结束，判断m值是否处于[a，(a+2)]的范围中，如果在此范围中，则判定为正常信号，i+1，继续进行下一个数据比对，如果不在此范围中，则判定为异常脉冲信号，将此i-1储存在数组arr1[]中，i+1，继续进行下一个数据比对；循环比对n次结束检测；

27、最后，得到带有异常脉冲信号下标的数组arr1[]。

28、进一步的，异常脉冲信号剔除过程如下：

29、首先，确定数组arr1[]中代表异常脉冲周期的个数g；

30、然后，利用数组arr1[]中元素寻找异常脉冲周期；

31、然后，利用倒序方法剔除异常脉冲信号，从每个异常脉冲周期的最后一个数据开始向前开始比对；如果x(tarr1[j])≥v0，则将此数据置为0，arr[j]-1，进行上一个数据比对；如果x(tarr1[j])＜v0，则说明一个异常脉冲周期比对结束，j+1，进行下一个异常脉冲周期剔除；循环剔除g个异常脉冲周期后结束剔除操作；

32、最后，得到处理完成的一组电压脉冲信号。

33、进一步的，所述步骤四中，对处理后的每组电压脉冲信号进行脉冲峰值提取，通过波峰检测法求得一组数据中脉冲个数，以及每个脉冲对应的峰值。

34、进一步的，对处理后的每组电压脉冲信号进行脉冲峰值提取过程如下：

35、首先，建立数组arr2[]存放一组数据中每个脉冲周期的峰值；

36、然后，利用处理后的一组电压脉冲数据的每个数据v0进行对比，确定砂粒产生的脉冲周期；

37、然后，在砂粒产生的脉冲周期中，对比每个数据找出最大值，此值为本脉冲周期的峰值并将此值存放在数组arr2[]中，循环找出每个砂粒脉冲周期的峰值；

38、最后，得到存放一组数据的每个脉冲对应峰值的数组arr2[]。

39、进一步的，所述步骤五中，计算含砂量的具体步骤如下：

40、步骤51：建立粒径识别模型；

41、为确定颗粒粒径与颗粒电压之间关系，建立颗粒粒径识别模型；

42、d＝a(e-e0)b

43、式中：

44、d——颗粒粒径，单位为um；

45、e——粒径产生的响应电压，单位为v；

46、e0——流经传感器的钻井液不夹杂固体颗粒时的输出电压，单位为v；

47、a、b——相关系数；

48、步骤52：建立颗粒体积与响应电压的关系式；

49、

50、式中：

51、vi——颗粒体积(um3)；

52、步骤53：将计算的每个颗粒体积相加得到每秒流过极板总的颗粒体积(v砂)；

53、首先计算数组arr2[]中元素个数f，循环取出arr2[]的每个峰值，并计算每个峰值对应的颗粒体积，再将每个颗粒体积累加起来得到v砂，计算公式如下；

54、ei＝arr2[i]

55、

56、步骤54：根据流速脉冲信号得到以及管径大小得到装置中钻井液流量(q液)；

57、利用微型涡轮流量计叶片旋转角速度与液体流量成正比的关系以及叶片角速度可由每秒采集的获取的脉冲个数所得，因此得到装置内钻井液流量与y(t)信号每秒脉冲个数nliu的关系式；

58、q液＝k*2π*nliu

59、式中：

60、q液——为装置中钻井液流量；

61、k——为装置结构对应的流量与叶片旋转角速度的比例系数；

62、nliu——为y(t)信号每秒脉冲个数；

63、步骤55：根据每秒流过极板总的颗粒体积比上每秒的流量，得到钻井液含砂量α；

64、钻井液含砂量α解算公式如下；

65、

66、式中：

67、f——为每秒产生的脉冲峰值个数；

68、ei——为每秒产生的不同脉冲峰值，单位为v；

69、e0——流经传感器的钻井液不夹杂固体颗粒时的输出电压，单位为v；

70、a、b——相关系数；

71、k——为装置结构对应的流量与叶片旋转角速度的比例系数；

72、nliu——为y(t)信号每秒脉冲个数；

73、步骤55：根据每秒流过极板总的颗粒体积比上每秒的流量，得到钻井液含砂量α；

74、钻井液含砂量α解算公式如下；

75、

76、式中：

77、f——为每秒产生的脉冲峰值个数；

78、ei——为每秒产生的不同脉冲峰值，单位为v；

79、k——为装置结构对应的流量与叶片旋转角速度的比例系数；

80、nliu——为y(t)信号每秒脉冲个数。

81、一种电阻法测量装置，包括进液管道1、出液管道5、步进电机2、微型涡轮流量计3、感应电极4以及与感应电极4相连的处理器；

82、所述步进电机2安装在进液管道1上，步进电机2与泵连接，用于控制管道内钻井液流量；所述微型涡轮流量计3两端连接流通管道，涡轮转速实时反映钻井液流量；微型涡轮流量计3左侧的流通管道与进液管道1连接，微型涡轮流量计3右侧的流通管道与出液管道5之间并联有多组管道，且管道内部均安装有感应电极4；

83、步进电机2、微型涡轮流量计3、感应电极4均与处理器连接。

84、有益效果

85、本发明通过电阻法装置实时获取装置内反映钻井液流量的脉冲信号以及反映钻井液含砂量的电压脉冲信号；本发明基于库尔特原理(小孔电阻法)感应钻井液中颗粒，通过产生的电压脉冲信号计算颗粒数量和大小，得到装置内每秒流过颗粒总体积，并由微型涡轮流量计产生的脉冲信号计算装置内钻井液流量，由装置内每秒流过颗粒总体积与装置内钻井液流量解算出钻井液实时含砂量；将实时计算的含砂量上传给上位机。

86、本发明通过电阻法测量钻井液实时含砂量，目前国内还没有研究，电阻法测量具有现场、实时、快速、准确的优点；

87、本发明还采用了检索误差信号以及剔除的方式消除了噪声和背景干扰。

88、本发明提出了新的电阻法装置来进行钻井液含砂量的实时计算。